劉炯朗開講：3分鐘理解自然科學

得獎紀錄：《一次看懂自然科學》榮獲「2010開卷好書獎最佳青少年圖書獎」及第35屆金鼎獎
《從輪子到諾貝爾：學校沒教的創新發明》榮獲2017第九屆吳大猷科學普及著作獎創作類銀籤獎

【科學中的偶然】

有時，一點意外、一個偶然的啟發，會引導我們更小心地去看、更深入地去想，最後得到重要的發現和結果。
用通俗的語言來說「微生物」就是微小、肉眼看不見的生物，包括細菌（bacteria）、黴菌（fungus）、病毒（virus）等，但從生物科學專業的觀點來說，微生物的分類、生活方式、數目和對人類生活的影響，都是非常複雜的問題。三、四十億年前，世界上已經有單細胞的微生物了。地球上的微生物，大約是1030那麼多。許多微生物對地球生態環境的平衡，食品和飲料的製造，例如發酵、釀酒，汙水的處理，以及生物技術上的應用，都有正面的功能。我們的身體裡也有許多微生物，大部分都能與人類和平共存，特別對消化系統來說，有幫助消化的功能。但是，許多外來的微生物就是讓我們生病的源頭。
按照歷史記載，遠在西元前數百年起隨著科學文明的進步，科學家從疾病的傳染、食物的腐爛、葡萄變成紅酒、牛奶變成乳酪等現象，推想到微生物的存在，不過直到一六七六年，荷蘭科學家列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）在顯微鏡底下觀察到微生物的存在，才正式開啟了一系列相關的發現和研究。

‧疾病
古老的歷史裡，人類以為疾病是在體內自然發生的。差不多一百五十年前，科學家才建立起疾病和外來微生物的關聯性。其中，肺病、破傷風、傷寒、白喉，都是源自細菌入侵；傷風、感冒、天花、愛滋病都是源自病毒入侵；有些呼吸系統和皮膚的疾病則源自黴菌侵擾。
細菌和病毒有若干不同的地方：首先，細菌是一個單細胞，有生活和繁殖能力的生物，它被具有保護功能的細胞壁包起來，不過也有一些細菌經由滲透作用，從體外獲取生活的能量；反過來，病毒沒有單獨生活和繁殖的能力，必須依附在一個「宿主」細胞上才能生長、繁殖（所以在微生物學的分類中有個觀點，不把病毒列在微生物之內），因此當病毒附在人體細胞上時，直接用藥物殺死病毒是相當困難的，因為也會殺死病毒所依附的細胞。
另外，病毒比細菌小了十到一百倍。普通醫學上用的過濾器濾孔很小，可以過濾、隔離細菌，但病毒實在太小，還是可以通過濾孔，所以病毒又被稱為「濾過性病毒」（filterable virus）。一個大家最熟悉的例子，就是用來防止新冠病毒COVID-19入侵呼吸道所使用的口罩，不能使用普通的紡織布料，必須使用特殊的布材。

【為疫苗接種奠定科學基礎】

當身體因外來入侵的微生物而生病時，我們有兩個應對辦法：一是用藥物直接把這些微生物消滅，或者抑制它們生長。問題是：什麼藥才有效呢？另一個是用藥物激發人體的免疫功能來抵抗、消滅它們。問題是：如何激發、加強身體的免疫功能呢？

‧先天免疫功能
首先，我來解釋一下身體的免疫功能。免疫是指抵抗入侵的外來微生物；免疫功能分為先天和後天，先天免疫功能可說是第一線防禦，是與生俱來的能力、一般性的反應，而非針對某種特定微生物。例如皮膚、鼻孔裡的毛，呼吸道和食道中的黏液膜，就像城牆一樣，會把想要入侵的微生物擋住，藉由流眼淚、咳嗽和打噴嚏，將想要入侵的微生物驅走；發炎（inflammation）則是透過身體裡的白血球和其他化學物，破壞、消除外來微生物，這些都是身體的先天免疫功能。先天免疫功能沒有記憶力，換句話說，每次外來微生物入侵時，身體都會有重複的反應。

‧後天免疫功能
後天免疫功能僅脊椎動物才有，是在出生後才建立的功能（包括從母體傳到胎兒的免疫功能）。後天免疫功能對特定微生物有辨別和防禦的能力，也有記憶的能力。換句話說，當身體再面對曾遇過的細菌和病毒時，就知道該如何抵抗它們，這正是使用防病疫苗的基本觀念。遠在二千多年前，希臘人就注意到得過某些病的人，康復後就不會再患這些病，當然那時他們不知道原因。其實，這就是病人身體裡的後天免疫功能，已經因為患過這些病而建立起來了。今天，疫苗的接種就是將微量的細菌或病毒，經由口服疫苗或注射，先在身體裡引起輕微反應，因而建立身體的免疫功能。

【天花疫苗的發現】

依照醫學歷史的記載，五、六百年前的印度和中國，就用這種觀念來防治天花（smallpox）了。不過，真正將這個觀念落實、廣泛應用，使天花在地球很多地區已經完全絕跡，則是源自十八世紀一位英國醫生詹納（Edward Jenner）的偶然發現。天花在十八世紀的英國是非常可怕的流行病，詹納三十九歲時，有位在牧場擠牛奶的女工對他說自己曾染過牛痘（cowpox），所以她不會受到天花的傳染。詹納推想，牛痘病患水泡裡的液體有防禦天花的可能，他把擠牛奶女工手上水泡裡的液體，注射到一個八歲的小孩身上，兩個月後又把天花患者水泡裡的液體注射在這個小孩身上，正如詹納預期，小孩沒有染上天花。這個八歲小孩是詹納家園丁的兒子，為什麼他的父母願意讓兒子冒這個險？也許，那時天花是種極具危險的傳染病，冒這個險是值得的。
這次的實驗成功後，詹納等了兩年才有機會再做另一個實驗，證明他的觀察是正確的，並且正式公布此結果。那段期間，牧場裡沒有牛痘病的發生，而且詹納還得同時面對其他醫師的疑惑，有一位很有名的醫師嚴厲批判、反對他的結果；又有一位醫師說他也知道怎樣接種疫苗，但當他把疫苗接種到人體時，引起嚴重的不良反應，後來詹納證明因為這位醫師缺乏完整的了解和經驗，他接種的疫苗是受汙染的。最後，詹納還是得到全面的認同和接受。
當然，現在我們已經知道牛痘病是源自一種病毒，它會讓牛的皮膚長出水泡，病毒在擠牛奶的過程中傳到擠牛奶工人身上，使他們感染牛痘，而牛痘病的病毒也建立了人體對天花的免疫功能。
詹納用牛痘的病毒做為防治天花疫苗的發現，為疫苗這個領域打開一扇大門，奠定了基礎。疫苗接種這個詞的英文是「vaccination」，在拉丁文中就是「牛的小水泡」的意思，現在這個字已經被用來指廣泛的疫苗接種了。
結束這個故事前，讓我再分享幾個要點：
第一，把外來東西引進身體以防治疾病的觀念，遠在五、六百年前，中國和印度都已經嘗試過將天花水泡結成的痂皮磨成粉，撒在傷口上來治療天花。不過，能夠把牛痘和治療天花連結起來，倒是源自擠牛奶女工提供給詹納的資訊。

【科學中的偶然】

有時，一點意外、一個偶然的啟發，會引導我們更小心地去看、更深入地去想，最後得到重要的發現和結果。
用通俗的語言來說「微生物」就是微小、肉眼看不見的生物，包括細菌（bacteria）、黴菌（fungus）、病毒（virus）等，但從生物科學專業的觀點來說，微生物的分類、生活方式、數目和對人類生活的影響，都是非常複雜的問題。三、四十億年前，世界上已經有單細胞的微生物了。地球上的微生物，大約是1030那麼多。許多微生物對地球生態環境的平衡，食品和飲料的製造，例如發酵、釀酒，汙水的處理，以及生物技術上的應用...

PART1　微生物的世界

科學中的偶然
為疫苗接種奠定科學基礎
天花疫苗的發現
抗生素
里歇的大發現
瘧疾

PART2　人體的運作

意志和反應
對壓力的反應
學會與壓力共舞
科技的倫理

PART3　浩瀚的宇宙

天有多大
距離的計算
太陽和地球
大爆炸開始理論
尋找外星人

PART4　有趣的數學

從正整數談起
郵票面額的配對
費馬最後的定理

PART5　有用的數學

模型和變數
機率
資料壓縮
神奇的定律
分配
配對與卡位
討價還價的藝術

PART1　微生物的世界

科學中的偶然
為疫苗接種奠定科學基礎
天花疫苗的發現
抗生素
里歇的大發現
瘧疾

PART2　人體的運作

意志和反應
對壓力的反應
學會與壓力共舞
科技的倫理

PART3　浩瀚的宇宙

天有多大
距離的計算
太陽和地球
大爆炸開始理論
尋找外星人

PART4　有趣的數學

從正整數談起
郵票面額的配對
費馬最後的定理

PART5　有用的數學

模型和變數
機率
資料壓縮
神奇的定律
分配
配對與卡位
討價還價的藝術